某車型匹配新型大尺寸變速器的正面耐撞性優(yōu)化＊

肖海濤管立君王純劉衛(wèi)國(guó)，2周大永，2趙福全，2祝賀

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

某車型匹配新型大尺寸變速器的正面耐撞性優(yōu)化＊

肖海濤1管立君1王純1劉衛(wèi)國(guó)1，2周大永1，2趙福全1，2祝賀1

（1.浙江吉利汽車研究院有限公司；2.浙江省汽車安全控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

2012版C-NCAP正面偏置碰撞速度與歐洲相同，對(duì)汽車耐撞性要求比以前更為嚴(yán)格。針對(duì)某車型重新匹配新型大尺寸變速器后導(dǎo)致正面吸能空間不足、正面偏置碰撞安全性能下降的問題，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果進(jìn)行了正面車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過優(yōu)化縱梁降低了整車加速度波形，減少了乘員艙的侵入量，使該車型能夠滿足整車安全性能要求。

1 前言

2012版C-NCAP評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]從2012年7月1日起正式實(shí)施，最新版本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中正面40%重疊可變形壁障碰撞的初始速度由56 km/h提高到64 km/h，導(dǎo)致碰撞總能量提升了約30.6%。根據(jù)CNCAP官方發(fā)布的2012年第三批車型評(píng)價(jià)的最新成績(jī)[2]，正面偏置碰撞的安全性能普遍表現(xiàn)欠佳，面碰撞速度的提高使得對(duì)車體結(jié)構(gòu)的安全性能要求更為嚴(yán)格。

本文對(duì)某車型匹配新型大尺寸變速器后導(dǎo)致的變形吸能空間減少、侵入量增加問題進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證了車身結(jié)構(gòu)變形模式合理、吸能充分，減小了乘員艙的侵入量，滿足了正面碰撞中車身結(jié)構(gòu)的安全性能目標(biāo)要求。

2 正面碰撞車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

發(fā)生碰撞時(shí)，車輛的減速度越大則乘員受傷害越嚴(yán)重。此外，若駕駛室變形很大，動(dòng)力總成、前圍擋板等剛性零部件后移量過大，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向管柱或三踏板等部件后移對(duì)乘員形成擠壓傷害，并危及車內(nèi)乘員的生存空間，使乘員受到傷害[5]。

根據(jù)正面碰撞過程對(duì)乘員的傷害情況，乘員艙前部的車體結(jié)構(gòu)部分應(yīng)有盡可能多的變形，以最大限度吸收碰撞的沖擊能量，使得作用在乘員身體上的力、彎矩和加速度值不超過人體所能承受的極限；而乘員艙不應(yīng)發(fā)生過大碰撞變形，以保證乘員具有足夠的生存空間和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，如圖1所示。

變形區(qū)首先需具有足夠的變形吸能空間，其次其載荷路徑要完整并具有足夠的承載能力，才能在有限空間內(nèi)通過自身變形吸收足夠的碰撞能量。

3 某車型匹配新變速器后存在問題及分析

某車型前期開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)原動(dòng)力總成采用5MT（手動(dòng)變速器）配置，在首輪實(shí)車64 km/h正面偏置碰撞試驗(yàn)中出現(xiàn)：踏板后移并與儀表橫梁產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，離合器踏板在碰撞后被鎖死；制動(dòng)踏板在碰撞后被鎖死；油門踏板碰撞后X向侵入量為158 mm，嚴(yán)重超標(biāo)，安裝區(qū)域的防火墻局部變形較為嚴(yán)重。侵入量和變形情況參見表1和圖2。

表1 三踏板侵入量和鎖死情況

后續(xù)由于產(chǎn)品戰(zhàn)略需求，需將5MT更換成6MT。6MT質(zhì)量比5MT增加了12.3 kg，在碰撞中整車總能量稍有增加，但由于6MT較5MT外形尺寸大很多，導(dǎo)致變速器更換后整車正面偏置碰撞的吸能空間減小了110 mm，如圖3所示。吸能空間大幅減小，導(dǎo)致該空間中原有結(jié)構(gòu)無法變形吸能，更多的碰撞沖擊傳遞到乘員艙，使乘員沖擊更為嚴(yán)重，乘員傷害得分降低，嚴(yán)重影響整車結(jié)構(gòu)的安全性能。另外，匹配6MT的蓄電池比5MT的蓄電池位置X負(fù)向移動(dòng)20 mm，Y負(fù)向移動(dòng)40 mm，Z正向移動(dòng)17 mm，蓄電池支架結(jié)構(gòu)變化，影響正面碰撞左縱梁前端的壓潰性能。配置5MT的實(shí)車64 km/h正面偏置碰撞試驗(yàn)中油門踏板侵入量已經(jīng)超標(biāo)，故在匹配6MT之后正面偏置碰撞中踏板后移量仍無法滿足該車型的安全目標(biāo)要求。

為了解決以上問題，需要根據(jù)整車碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有限元仿真對(duì)標(biāo)，對(duì)該車型的50 km/h正面100%剛性壁障碰撞（FRB50）與64 km/h正面40%偏置可變形壁障碰撞（ODB64）進(jìn)行仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)標(biāo)分析，利用對(duì)標(biāo)結(jié)果進(jìn)行正面碰撞車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與評(píng)估。

根據(jù)圖4的整車FRB50與ODB64變形情況對(duì)比可以看出，仿真與試驗(yàn)的整車變形效果基本一致。根據(jù)圖5的FRB50與ODB64整車車體響應(yīng)曲線分析可知，整車加速度曲線的峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)基本一致，仿真與試驗(yàn)結(jié)果波形整體變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于局部變形區(qū)域的侵入量應(yīng)考慮仿真和試驗(yàn)的誤差，因此，針對(duì)踏板侵入量有限元仿真結(jié)果的評(píng)估與分析，以相對(duì)變化的比率大小來預(yù)估優(yōu)化后踏板在試驗(yàn)中的后移量。

在對(duì)標(biāo)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行該車型匹配6MT的整車碰撞有限元分析，如圖6所示，根據(jù)圖6的整車車體響應(yīng)有限元結(jié)果分析可知，匹配6MT后，F(xiàn)RB50和ODB64碰撞工況整車碰撞加速度過高，其中FRB50碰撞加速度峰值由38.5 g增加到55.6 g，ODB64碰撞加速度峰值由42.5 g增加到50.2 g，第1階波形變化不大，第2階加速度升高導(dǎo)致約束系統(tǒng)匹配困難，乘員保護(hù)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

在ODB64中根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，將油門踏板侵入量仿真值的變化率乘以實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果的侵入量作為6MT實(shí)車結(jié)果的預(yù)估值，如表2所示。通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果可知，油門踏板的X向侵入量雖然降低了9.5%，但由于該車型匹配5MT時(shí)油門后移量為158 mm，所以，油門踏板后移量約為142 mm，大于上限100 mm，超標(biāo)問題仍然存在。

表2 某車型匹配5MT和6MT ODB64仿真分析油門踏板X向侵入量情況對(duì)比

基于該6MT的整車加速度曲線評(píng)估乘員傷害情況得分如表3、表4所示，可知，F(xiàn)RB50和ODB64碰撞乘員得分分別為12.98分和13.13分，兩種碰撞工況乘員保護(hù)均不達(dá)標(biāo)，其目標(biāo)得分分別為14分和14.5分;乘員傷害較嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在胸部和小腿區(qū)域，根據(jù)車身結(jié)構(gòu)性能對(duì)乘員傷害的影響分析，胸部主要受第2階加速度影響，小腿區(qū)域主要受侵入量影響，因此變更6MT后，整車加速度增加和侵入量超標(biāo)問題導(dǎo)致了乘員保護(hù)的安全性能下降，且乘員保護(hù)得分未考慮油門踏板侵入量罰分。

表3 某車型匹配6MT后FRB50仿真分析前排乘員傷害情況得分

表4 某車型匹配6MT后ODB64仿真分析前排乘員傷害情況得分

4 正面車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 整車加速度波形及前圍侵入優(yōu)化后

由于更改大尺寸的6MT后導(dǎo)致吸能空間減少110 mm，同時(shí)無法通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的布置情況為正面碰撞提供更多的吸能空間，因此需要提高現(xiàn)有吸能空間內(nèi)部件對(duì)碰撞能量的吸收程度。

正面碰撞中，一方面其碰撞載荷通過縱梁向車身后部傳遞；另一方面，前縱梁需要由前至后依次壓潰變形，避免發(fā)生彎折，起到吸收碰撞能量的作用。

4.1.1 材料等級(jí)提升

為提高現(xiàn)有吸能空間內(nèi)縱梁對(duì)碰撞能量的吸收，需要提高縱梁的截面承載能力。由于現(xiàn)有縱梁已經(jīng)存在三層焊，若大幅增加板料厚度可能帶來焊接質(zhì)量問題，無法保證碰撞中該處結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度，因此采取措施：將左、右前縱梁前段材料強(qiáng)度提高190 MPa，厚度維持在2 mm；左、右前縱梁外板材料強(qiáng)度提高340 MPa；左、右縱梁前段側(cè)板材料強(qiáng)度提高200 MPa，左、右前縱梁前段加強(qiáng)板厚度更改為2.8 mm；左、右前縱梁外板加強(qiáng)板厚度減薄為1.8 mm。通過提高材料等級(jí)提高截面的承載能力，在保證安全性能的前提下可兼顧車身的輕量化。

4.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

合理的變形次序不僅能夠使結(jié)構(gòu)有效發(fā)揮變形吸能作用，而且能夠在一定程度上引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定變形模式。前縱梁后端在碰撞后先發(fā)生彎曲變形很容易引導(dǎo)整個(gè)前縱梁未變形區(qū)域相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，形成彎曲變形，導(dǎo)致縱梁吸能不充分且變形模型控制困難。前縱梁逐級(jí)壓潰的變形模式按照由前向后的次序設(shè)計(jì)，左、右縱梁對(duì)應(yīng)位置采用相同的措施，具體如圖7所示。

如圖7所示，優(yōu)化縱梁前段前端設(shè)置2道誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)，通過誘導(dǎo)縱梁前段潰縮變形來提高縱梁前段吸能，有效控制變形穩(wěn)定性。同時(shí)前縱梁前段側(cè)板縮短61 mm，而前縱梁外板均向前延長(zhǎng)61 mm，并在與縱梁前段誘導(dǎo)槽相應(yīng)的位置設(shè)計(jì)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得誘導(dǎo)槽1、4在X向位置對(duì)應(yīng)，誘導(dǎo)槽2、5在X向位置對(duì)應(yīng)，這樣在縱梁前端形成兩道環(huán)形的壓潰誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，控制壓潰變形的位置。優(yōu)化左前縱梁前段加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)可以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在縱梁后端增加誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)，增加一道誘導(dǎo)槽3，在保證縱梁前端壓潰吸能和變形可控的前提下，增加后端變形，使后端發(fā)生彎折變形，從而提高縱梁整體在碰撞中的能量吸收。

4.2 中央通道及油門踏板優(yōu)化

如圖8所示，在新增的中央通道加強(qiáng)板材料780DP、厚度1.5 mm的基礎(chǔ)上，采用落地式油門踏板[5]。控制中央通道處的變形，將落地式油門踏板布置在侵入量較小的前地板區(qū)域，可以有效控制油門踏板的侵入量，具體布置位置如圖9所示。

5 正面車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案驗(yàn)證

首先，對(duì)優(yōu)化后的車身關(guān)鍵零部件變形模式進(jìn)行分析。根據(jù)FRB50有限元結(jié)果分析，優(yōu)化后在縱梁內(nèi)、外板材料等級(jí)提升的前提下，縱梁前段壓潰理想，整體變形模式、變形順序合理。優(yōu)化前、后縱梁后端彎折情況基本一致，優(yōu)化后變形位置可控，如圖10所示?？傮w上，根據(jù)縱梁的變形模式，優(yōu)化后第1階波形會(huì)提高，前端吸能效果更好，后端彎折變形穩(wěn)定可控，能夠較好的控制動(dòng)力總成對(duì)前圍板的侵入。

根據(jù)ODB64有限元結(jié)果分析，優(yōu)化后左縱梁前端吸能更充分、軸向性較好，能夠較好地傳遞碰撞能量，總體上匹配6MT優(yōu)化后左縱梁變形吸能效果比優(yōu)化前好，如圖11所示。

然后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙前圍板侵入量云圖分析整車碰撞的侵入情況。根據(jù)正面兩種工況的仿真結(jié)果分析可知，優(yōu)化后FRB50前圍板最大變形由85mm減小為46 mm，優(yōu)化后ODB64前圍板最大變形由155 mm減小為120 mm，前圍板和地板侵入降低有利于降低踏板侵入量，對(duì)乘員保護(hù)有利，如圖12所示。

對(duì)整車加速度曲線進(jìn)行分析可知，該車型匹配6MT經(jīng)過車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，其FRB50和ODB64的整車加速度峰值降低，如圖13所示。FRB50碰撞加速度峰值由55.6 g降低為48.4 g，第1階波形在21.6 ms達(dá)到32.9 g，提高了第1階加速度，相應(yīng)降低了第2階加速度。ODB64碰撞加速度峰值由50.2 g降低到44.7 g，第1階波形在40～60 ms期間都得到提升，進(jìn)而降低了第2階加速度。

如表5所示，根據(jù)ODB64仿真計(jì)算結(jié)果，通過侵入量降低的比率分析，該車型匹配6MT優(yōu)化后油門踏板后移量和上移量明顯降低，懸臂式油門踏板后移量仿真計(jì)算值為110 mm，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按比率計(jì)算得到其后移量為126 mm，仍然超標(biāo)。采用落地式油門踏板布置位置變形情況如圖14所示，實(shí)車試驗(yàn)中測(cè)得該處的后移量最大值為45 mm，上移量最大為12 mm，優(yōu)化后其后移量和上移量與此處結(jié)構(gòu)實(shí)車變形基本一致，因此可以解決油門踏板侵入量超標(biāo)問題。

表5 某車型匹配5MT和6MT優(yōu)化后ODB仿真分析油門踏板侵入量情況對(duì)比得分

對(duì)表6和表7的約束系統(tǒng)分析可知，F(xiàn)RB50前排乘員傷害得分14.49分，大于目標(biāo)值14分；ODB64前排乘員傷害得分14.74分，大于目標(biāo)值14.5分。前排乘員傷害情況滿足安全性能目標(biāo)要求。

表6 某車型匹配6MT優(yōu)化后FRB仿真分析前排乘員傷害情況得分

表7 某車型匹配6MT優(yōu)化后ODB仿真分析前排乘員傷害情況得分

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某車型匹配新型大尺寸變速器后導(dǎo)致正面吸能空間不足、正面碰撞安全性能下降的問題，進(jìn)行了正面車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過提高縱梁截面強(qiáng)度、合理設(shè)計(jì)誘導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)中央通道、采用落地式油門踏板等措施，提高了整車加速度第1階波形，降低了第2階加速度波形，整車加速度波形得到控制，減小了乘員艙的侵入量，滿足了整車安全性能目標(biāo)要求。

1C-NCAP管理規(guī)則（2012年版）.

2曹雷.2012第三批C-NCAP成績(jī):最高5星/最低2星. http://www.autohome.com.cn;2012.09.02.

3馬琳琳，楊娜.轎車結(jié)構(gòu)耐撞性分析與改進(jìn).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008，6:106-108.

4王大志.基于乘員保護(hù)的汽車正面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與變形控制研究：[學(xué)位論文]，北京:清華大學(xué)，2006.

5張金換，杜匯良，馬春生.汽車碰撞安全性設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社，2010.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2013年11月1日。

Optimization of Frontal Crashworthiness for A Vehicle Model with a New Large-sized Transmission

Xiao Haitao1，Guan Lijun1，Wang Chun1，Liu Weiguo1，2，Zhou Dayong1，2，Zhao Fuquan1，2，Zhu He1
（1.Geely Automobile Research Institute；2.Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology）

The frontal offset crash speed of C-NCAP 2012 is the same as that of Europe;however，the crashworthiness requirement is stricter.To solve such problems as inadequately frontal energy-absorbing space caused by new large-sized transmissioninaspecificvehicleanddecliningsafetyperformanceinthefrontaloffsetcrash，the structuraloptimizationoffrontal body is performed based on test results and finite element analysis.The intrusion of occupant compartment is decreased by optimizingsiderailsandreducingvehicleaccelerationwaveform，thusmeetingtherequirementsofvehiclesafetyperformance.

Transmission,Re-adaptation,Frontal crashworthiness,Energy-absorbing space, Optimization

變速器重新匹配正面耐撞性吸能空間優(yōu)化

U461.91

：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1000-3703（2014）02-0053-05

浙江省汽車安全控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（2009E10013）。